喀斯特洞穴晶体生长速率的古气候重建意义

为了从石笋中提取更多的古气候信息,以用于气候预测,需要研究现代洞穴沉积过程与周围环境变化的关系。本文通过对贵州5个洞穴现代沉积玻片上菱形方解石的长度与滴水变率观测研究发现,在洞穴滴水不间断的情况下,滴水变率较小的滴水点,菱形方解石晶体长轴生长速率较快,反之,生长速率较慢。反映在石笋中,石笋晶体粒径较大说明处于降水稳定时期,石笋晶体粒径较小指示沉积时期降水变率较大,气候不稳定。     

喀斯特洞穴晶体沉积速率的气候响应

在对本寨洞9个滴水点沉积玻片的晶体沉积质量监测后发现,现代洞穴沉积量主要受控于温度变化,统计的8个玻片沉积中,有6个滴水点的沉积速率与温度呈正相关关系。滴水速率对沉积速率影响较小,在统计的8个滴水点中,只有BZ9滴水点受滴水速率影响明显,具有正相关关系。其环境意义为石笋的生长速率主要受温度控制,呈正相关关系,可作为古温度代用指标。     

洞穴次生化学碳酸盐沉积物-石笋的气候替代指标的意义与不确定性因素

洞穴次生化学碳酸盐(CaCO3)沉积物-石笋、钙华和流石,是一个具有丰富的陆地古气候信息的档案库。洞穴碳酸盐(CaCO3)-石笋古环境重建常用的代用指标有碳、氧稳定同位素、生长速度、纹层厚度和灰度、有机质荧光、微量元素等,利用多种替代指标的环境解译,增加了古气候环境重建的可靠性。本文从测年方法和石笋年代学的研究入手,对石笋的生长速度,沉积速率、纹层厚度、稳定同位素、微量元素等各代用指标指代的气候意义进行了简述,同时,也对洞穴次生化学碳酸盐(CaCO3)沉积物-石笋中各单一代用指标存在的不确定性影响因素进行了探讨。因此,我们认为洞穴动态监测可为洞穴碳酸盐(CaCO3)沉积物的各替代指标的解译提供可靠的依据,充分利用现代洞穴监测的碳酸盐(CaCO3)沉积物的各替代指标,并与现代器测气象资料进行相互对比、并用以校正,是精确或定量解释石笋气候替代指标的关键。     

桂林盘龙洞滴水的物理化学指标变化研究及其意义

影响洞穴次生化学沉积物-石笋的形成因素,包括降水、气温、水温和滴水的性质(如pH值、电导率、Ca2+、HCO3-浓度和滴率等)。通过对桂林盘龙洞8个滴水点的2个水文年的监测表明,洞穴滴水主要来源于大气降水(或土壤水),受控于水-土-岩的相互作用。洞穴滴水对大气降水的响应较快,具有季节性的变化特征。洞穴滴水的物理、化学特性受降水、洞顶基岩厚度及渗入水的滞留时间、滴率的快、慢的影响。洞穴滴水的温度变化不大,大约为19.4~21.2℃。年平均pH值为7.85。洞穴滴水的电导率、Ca2+、HCO3-浓度与气温、水温和滴水速率表现为正相关关系。在夏半年,大气降水量大,土壤湿度大,土壤中PCO2分压高,溶解的CaCO3多,表层带下渗岩溶水的岩溶作用强,滴水的电导率、Ca2+、HCO3-浓度增大,滴水中的碳酸盐沉积多;而在冬半年或冬季,其降水量小或少,滴水的电导率、Ca2+、HCO3-浓度降低,指示溶解的CaCO3少,表层带下渗岩溶水的岩溶作用弱,水中Ca2+离子含量低,滴水沉积物的沉积量或生长量减少。从大气降水到土壤水再到洞穴滴水这些过程可以看出,洞穴滴水形成的岩溶次生化学碳酸盐沉积物-石笋,可记录岩溶环境变化的信息,已成为研究岩溶地区过去环境变化记录的重要载体。     

洞穴滴水-CaCO_3体系氧碳同位素组成的气候意义研究现状和问题

近年来,通过对洞穴滴水-CaCO3体系各项指标的长期监测,以了解现代碳酸钙沉积的形成机制成为了石笋古气候研究的重点。尤其是对滴水-CaCO3体系氧同位素组成(δ18 O)的研究取得了显著的进展。人们在对滴水和CaCO3的δ18 O与古温度关系的研究中,不断地修改普遍使用的关系式,甚至提出了适合自身研究区石笋δ18 O与温度的关系式。无疑这将增加利用石笋氧同位素组成重建本地区古温度的可信度。在对碳同位素组成(δ13 C)的研究中,学者们更加细致地研究了各种影响滴水δ13 C值的因素(如先期碳酸盐沉积PCP、通风条件等),为更好地利用石笋δ13 C重建古气候环境提供了科学支撑。由于洞穴监测条件的限制,至今大多数洞穴都未能建立起完善的自上而下的监测体系,所以对一些δ18 O、δ13 C变化的解译仍然存在多解性和不确定性,有待未来的研究继续加强。     

洞穴滴水的水文地球化学过程:贵州犀牛洞的研究

为了揭示洞穴滴水的水文地球化学过程,对贵州镇宁犀牛洞3个滴水点的滴率、水化学组成等进行为期1年的动态监测,示踪结果显示出犀牛洞滴水对大气降水的响应较快(28天以上),滴水的物质组成直接源自于洞穴环境,即土壤和岩石,而大气降水携带的物质成分较少,滴水点均受到不同源来水的影响。洞穴滴水的化学组成中元素含量的变化主要由水运移过程中水-土、水-岩作用导致的岩石溶解-方解石沉淀过程所控制,表明犀牛洞滴水点的次生沉积物可能记录了环境变化信息。     

洞穴上覆土壤层~(210)Pb放射性活度变化特征及其环境意义

土壤210Pb放射性活度变化可以用来指示土壤侵蚀速率变化、计算水土流失速率,但是在其他方面的应用,特别是岩溶环境的应用相对较少。在进行洞穴年轻沉积石笋年代测试过程中,发现目前应用的CIC(恒定初始放射性活度模式)初始活度恒定的假设需要进行验证。通过对广西桂林茅茅头大岩上覆土壤层进行季节采样和210Pb放射性活度、土壤有机质、粒径等分析,发现土壤剖面表层20~30cm内的210Pb放射性活度季节变化明显,可能响应了大气环境、土壤生态环境的变化。但是土壤剖面基底210Pb放射性活度基本保持恒定,说明土壤层厚度大于20~30cm时,土壤层中210 Pb变化对洞穴年轻沉积物表层210Pb活度变化影响不大,洞穴上覆层对洞穴沉积物210Pb放射性活度的影响主要在于土壤有机质和粘粒向下迁移。因此,影响洞穴石笋210Pb放射性活度的关键因素在土壤厚度、土壤中随有机质和粘粒迁移的210 Pb量的变化,进而推广到洞穴年轻沉积物210Pb定年,在土壤层厚度大于20~30cm时,洞穴相对封闭环境下,可以应用CIC模式对洞穴沉积物进行年龄计算。     

在中国东部石笋中寻找热带太平洋信号

正近十几年来,洞穴石笋由于定年准确、沉积连续、分布广泛、分辨率高等优点,逐渐成为古气候和古环境重建的"第四大支柱"。我国学者通过石笋氧同位素记录,重建了晚第四纪以来不同时间尺度亚洲夏季风的变化历史,受到国际上的广泛关注。然而,随着研究的深入,关于中国石笋氧同位素的气候意义解读在国内外引起了热烈讨论。有学者根据模拟结果,认为在Heinrich事件的时候中国季风区的石     

石笋的“年轮”

洞穴石笋因其分布广泛、测年准确、分辨率高等优点,成为过去全球变化研究中一种重要的陆地载体,在晚第四纪古气候和人类世环境变化研究中发挥着独特的作用。和树木年轮一样,一些石笋也具有“年轮”。本文简单介绍了目前所发现的四种石笋年纹层——可见纹层、荧光纹层、方解石文石交互纹层、痕量元素纹层的特征以及形成机制。     

岩溶关键带微量元素运移的时空变化:以豫西鸡冠洞为例

为探索岩溶关键带元素运移时空变化特征及过程,自2009年10月至2015年5月对我国北方典型岩溶关键带——河南西部鸡冠洞相互作用带中各组分(大气降水、土壤、基岩、洞穴滴水、洞穴现代沉积物)进行了连续定点监测及取样分析,共获得650个实验数据.对比了Ca、Mg、Ba、Sr、δ~(13)C及元素比值在不同组分中的变化情况及运移规律.结果表明:(1)土壤与基岩是滴水的主要物质来源,Mg、Ba、Sr符合"土壤-基岩"二元物源模型,但各自所占比例并不相同.(2)在空间上,洞穴系统相互作用带中各元素迁移相互联系.滴水继承了土壤及基岩的信号,现代沉积物又能延续滴水各元素的信息.元素在土壤纵剖面中表现出了明显的淋溶和淀积作用,最下层土壤较好地继承了基岩中微量元素的信息.(3)在时间上,洞穴系统相互作用带中各元素迁移复杂多变.土壤及滴水受降水淋滤作用影响皆表现明显的季节差异,然在岩溶水运移路径、PCP作用、极端干旱和年降水雨型的影响下,滴水元素浓度旱、雨季差异明显较土壤小.而PCP作用及元素选择性淋滤等因素又改变了沉积物中元素对滴水元素的延续特性.     

河南鸡冠洞洞穴水对极端气候的响应及其控制因素研究

为揭示洞穴水地球化学动态的变化特征及其控制因素,从2009年10月至2013年12月对黄土高原东南缘河南西部栾川县鸡冠洞洞穴水的水化学指标进行了4个完整水文年的动态监测.结果表明:1鸡冠洞洞穴水的化学类型主要是HCO-3-Ca2+-Mg2+和HCO-3-Mg2+-Ca2+型,阴离子中HCO-3占80%以上,阳离子中Ca2+、Mg2+是优势离子,地下河常年处于溶蚀状态,池水、滴水处于沉积状态.2鸡冠洞洞穴滴水、池水可以很好地响应外部气候环境的变化,其地球化学指标具有显著的季节效应.3Ca2+、Mg2+、SO2-4能够敏感地响应极端气候事件引起的年际降水量变化,Ca2+、Mg2+、SO2-4浓度洪涝年升高,干旱年降低.HCO-3主要受CO2浓度控制,对极端气候事件响应不明显.4鸡冠洞地下河中Ca2+、Mg2+、HCO-3、SO2-4浓度波动幅度较小,且无明显的季节变化规律.对2010年和2013年的极端降水事件响应不明显.     

贵州纳朵洞洞穴水水文地球化学变化特征及其环境意义

对贵州关岭纳朵洞2012年12月至2014年12月期间,三处滴水(S1、S2、S3)和一处池水(SC)的地球化学指标进行动态监测.结合当地气象资料,分析了观测期间纳朵洞洞穴水水文地球化学季节变化及其对外界气候变化的响应.结果表明,纳朵洞洞穴水的水化学类型主要为HCO_3~--Ca~(2+)型,除每年降水量最大的月份外,滴水和池水长期处于沉积状态;纳朵洞3个滴水点的离子浓度由于岩溶水在洞顶的运移路径和时间不同存在一定差异,池水因受到洞穴混合水和洞穴空气较高CO2浓度的影响,其离子浓度高于滴水且变化幅度偏大;纳朵洞洞穴水地球化学指标具有显著的季节变化规律,可以很好地响应外部气候环境变化;离子浓度对极端气候事件引起的年际间降水变化的响应比较敏感:2013年雨季的Ca~(~(2+))、Mg~(2+)、SO_4~(2-)浓度高且平稳,而2014年雨季其浓度偏低且波动大,不同观测点的响应程度和时间并不一致.     

岩溶洞穴滴水δ13CDIC季节变化特征及其环境意义

为揭示岩溶洞穴滴水中水文地球化学指标与稳定碳同位素特征及其对外界环境变化的响应,作者在2019年夏季和冬季2个时期分别对麻黄洞进行监测。通过对麻黄洞滴水水化学指标和滴水δ¹³C_DIC进行监测并利用数理统计方法分析,结果表明：(1)麻黄洞滴水水化学类型为HCO₃-Ca·Mg型,2个滴水点SIc、SId均大于0,滴水处于饱和状态。(2)麻黄洞滴水水化学指标表现出不同季节和空间的变化趋势,MH1和MH2的滴水δ¹³C_DIC值呈现出夏季偏轻、冬季偏重的季节变化特征,响应外界降水变化。(3)麻黄洞上覆受人类活动影响,其中产生的SO₄^2-、NO₃^-等离子介入导致MH1和MH2的δ¹³C_DIC发生偏重的变化,因此研究麻黄洞气候响需考虑SO₄^2-、NO₃^-的影响。     

贵州七星洞石笋文石-方解石序列记录的气候变化

文石-方解石型石笋的矿物相变化可能与气候环境变化存在联系,但中国季风区有关此类石笋的古气候研究比较匮乏.本文对七星洞一个文石-方解石型石笋开展了岩石学鉴定和氧、碳同位素组成分析,发现其文石层的出现与δ18O值、δ13C值的显著偏正存在联系,通过对文石形成的可能机制和δ18O、δ13C值变化的一般规律进行综合分析,验证了...     

现代环境监测研究中的一种新示踪指示剂(SO_4)

拥有一种理想的示踪剂是研究地球化学过程必不可少的手段,尤其是在现代环境监测研究中,如洞穴滴水对大气降水的响应时间以及地表环境的监测。而在目前的研究中,通常使用的示踪剂(天然的和人造的)有其优点的同时,都不可避免地存在许多不足,因此需要根据具体情况选择最佳示踪剂。本文通过分析荔波5个不同地上植被生物量大小的样地土壤水硫酸根离子(SO4)浓度,以及贵州4个洞穴系统中土壤水和滴水等的SO4,分别从理论和试验检验两方面对其作为一种可能的新示踪指示剂进行论述。结果首次表明,其具有其他示踪剂不具备的一些优点,在一定条件下完全可作为一种示踪剂示踪指示某一区域地表植被生物量的大小以及滴水对大气降水的响应时间。最后通过实测数据(5个样地的地上生物量和土壤水SO4离子浓度,以及滴水的SO4离子浓度和NaCl示踪所得的滴水对大气降水响应时间)的Freundlich拟合,分别得到了研究区的经验公式:[SO4]=3.34ln(b)+5.20和[SO4]=-9.17ln(t)+31.61。     

石笋有机质碳同位素组成研究的进展与挑战

洞穴石笋因其精准的定年和蕴含的多种代用指标,已成为古气候和古环境变化研究的重要载体之一。在石笋研究的多种代用指标中,碳酸盐碳同位素由于受到多重因素的影响,应用其重建过去环境变化历史一直局限在少数几个研究地点。洞穴上覆土壤有机质是洞穴石笋中有机质的重要来源,除此之外,洞穴原位产生的微生物及基岩中的有机质也有贡献。由于主要继承了地表植被和土壤有机质的同位素组成,石笋有机质碳同位素组成的时间序列能够很好地指示地表植被的演变及土壤过程的变化。本文对石笋有机质碳同位素组成的研究现状进行了综述,介绍了最新建立的石笋有机质碳同位素组成分析方法,并指出应用这一指标研究环境变化需要解决的关键问题和未来面临的挑战。     

贵州双河洞国家地质公园洞穴冲积物的粒度组成及环境意义——以山王洞为例

通过采集双河洞国家地质公园的山王洞洞穴冲积物,利用Mastersizer 2000对40个沉积物样品的粒度进行测试分析并计算平均粒径(Mz)、标准偏差(σI)、偏度(SK I)和峰度(K G)等相关参数。结果表明:(1)山王洞地下古河道沉积物优势粒级以粉砂、黏土为主,其含量占总体水平的70%以上,整个冲积剖面表现为2套(9-1号与40~31号样品)由粗到细变化的砂体相互叠置和1套(30-10号样品)粒级含量相对稳定且粒级较小的砂体构成;(2)山王洞冲积物分选性差,具有河成沉积物的特点,冲积物粒径大小表明可能存在两个降雨量较大阶段和一个降雨量较小阶段;(3)沉积物颗粒较地表河沉积粒度细且分布集中,悬浮总体的累积百分含量高,反映洞穴古河道河流总体水位稳定或水动力较弱,可能与洞穴流域范围内地表植被好,地表侵蚀不严重有关。     

亚洲季风的多尺度变化规律及其与全球气候变化的关系

在科技部"973"计划和国家自然科学基金委的资助下,西安交通大学全球环境变化研究院程海教授带领研究团队利用中国、印度、乌兹别克斯坦等地的洞穴石笋,重建了目前全球最长的,有绝对年代控制的高分辨率亚洲季风和中亚核心区气候变化的石笋记录,深入研究了不同时间尺度上亚洲季风的变化规律、影响机制及其与全球气候变化的关系。直接验证了10万年的冰期循环是4—5个岁差周期的平均,发现了高低纬气候系统之间的"简洁"关系,进一步证实亚洲季风与太阳辐射变化在岁差尺度上没有显著的相位差,揭示了亚洲季风与西风带气候模态之间的耦合分异,研究了历史时期百到十年尺度的季风降水变化并尝试预估未来变化趋势。以上成果为全球气候变化研究提供了重要标尺,加强了对于气候系统相互作用、强迫因子及其响应机制的理解,为全球气候事件研究和模拟工作提供了重要的新线索,也为相关政府部门制定水资源的长期规划提供了科学依据。     

高分辨率降水氧氘同位素变化及洞穴水响应:以河南鸡冠洞为例

大气降水稳定同位素受温度、雨量、海拔高程、水汽源等多种因素控制,进而影响洞穴水及沉积物的同位素变化.为了更好地认识我国南北交汇带季风敏感区洞穴水对降水的响应过程,本研究分析了2015年8月4~6日河南栾川县鸡冠洞强降雨和洞内4处地下水点样品,并结合2009~2015年栾川地区近6年大气降水氧氘同位素数据研究发现:1采用HYSPLIT模型可以将鸡冠洞强降雨划分为不同水汽来源的2个阶段:高空来自南中国海的水汽以及近地面来自内陆局地蒸发的水汽,并且可以记录在单场降雨期间雨水的δ~(18)O变化特征上.2近地面来自内陆局地蒸发水汽的蒸发过程一定程度上掩盖了温度效应,并使局地大气降水线的斜率、截距和雨水过量氘均减小.3此次降雨期间鸡冠洞洞穴滴水δ~(18)O特征主要响应夏季风海源水汽的降水;鸡冠洞洞穴滴水对降雨响应最快,间隔时间约为3 h,滴水δ~(18)O随滴率升高变重,之后缓慢变轻;地下河具有相似的模式,稍有滞后;靠近洞口的池水反映出不同阶段的雨水δ~(18)O变化的差异.     

石笋高精度高分辨率年代学和古气候研究

古气候变化突变事件的发现和对未来环境变化的预测 ,提出了取得高分辨率古环境记录的要求。本文介绍了中国洞穴石笋年代学和古气候最新研究的进展以及目前我们用MAT - 2 6 2质谱仪对洞穴石笋的TIMS铀系定年法对贵州荔波董歌洞、龙泉洞、衙门洞、贵州都匀七星洞洞穴次生碳酸盐石笋进行年代学研究的一些成果。